开关磁阻电机整理PPT教案

1、会计学1开关磁阻电机整理开关磁阻电机整理开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者Davidson制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，发表著名论文“开关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这也标志着SRD正式得到国际认证。从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先地位。除英国外，美国、中国、加拿

2、大、印度、韩国等国家也都开展了SRD系统的研究工作。通过20多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能在数百瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。开关磁阻电机发展历史第1页/共192页 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR电电动动机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源 负负 载载 第2页/共192页第3页/共192页第4页/共192页第5页/共192页第6页/共192页AABCDBCDEsS1S2VD1VD21231231 定子和转子均为凸极结构；2 定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组3 定子集中绕阻、绕组为单方向通电

3、 4 转子上无绕组5 最常见的组合为6/4极，8/6极或12/8极。第7页/共192页电机原理演示电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合A-A 通电 1-1 与A-A重合B-B 通电 2-2 与B-B重合C-C 通电 3-3 与C-C重合D-D 通电 1-1 与D-D重合第8页/共192页下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。第9页/共192页 由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结

4、构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。 第10页/共192页 在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？ 磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。第11页/共192页下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相”，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁

5、路带来方便，并不是连接三相交流电。 第12页/共192页在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。 第13页/共192页为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度接通B相电

6、源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。第14页/共192页在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的图，右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由

7、于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。第15页/共192页向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转

8、子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。第16页/共192页开关磁阻电机运行原理动画演示第17页/共192页例：12/8 极三相开关磁阻电动机第18页/共192页第19页/共192页第20页/共192页第21页/共192页第22页/共192页第23页/共192页第24页/共192页第25页/共192页第26页/共192页第27页/共192页第28页/共192页第29页/共192页第30页/共192页第31页/共192页第32页/共192页第33页/共192页第34页/共192页第35页/共19

9、2页第36页/共192页第37页/共192页第38页/共192页第39页/共192页60phrfnN60rphN nf60nmNfrD第40页/共192页第41页/共192页)22kNNkmNsrs1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。第42页/共192页)22kNNkmNsrs第43页/共192页 相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数 4 6 8 10 12 14

10、 16步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的SRM 没有自起动能力第44页/共192页（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole第45页/共192页第46页/共192页 PM PM 第47页/共192页第

11、48页/共192页第49页/共192页第50页/共192页通角通角, ,相关断角相关断角, , 相电流幅值相电流幅值, ,相绕组电压。相绕组电压。第51页/共192页第52页/共192页54第53页/共192页第54页/共192页 开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的

12、研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。 第55页/共192页第56页/共192页第57页/共192页第58页/共192页第59页/共192页第60页/共192页第61页/共192页第62页/共192页第63页/共192页第64页/共192页第65页/共192页第66页/共192页第67页/共192页第68页/共192页第69页/共192页71第70页/共192页72五相SRM三相SRM第71页/共192页73于2004年6月投入了武汉市的510公汽线路上运行至今。 课题成果目前的应用情况 第72页/共192页

13、742002年12月50/100kW开关磁阻电机在东风技术中心的装车照片 第73页/共192页第74页/共192页第75页/共192页不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图 J转子与负载的转动惯量 TL负载转矩 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁场耦合磁场 i1 im 第76页/共192页第k相绕组的相电压平衡方程:第77页/共192页所以：电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkk第78页/共192页ddidLuLidtdtdt2221222211221

14、1112222rdidLddLPuiiLiLiidtdtdtdtddL dddLLiiLiidtddtdtdddLiTe221refTdtdW为电磁转矩Wf为磁场储能，r为转子机械角速度如果忽略绕组电阻R，则上面的方程可写为：第79页/共192页ddLiTe221第80页/共192页线性模型有利于对SR电机的定性分析，了解其运动的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系；准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析和设计功率变换器和制定控制策略；非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电机设计的必需手段。第81页/共192页在电感很小时使绕组开通，电流快速上升。为防止电流过大而损坏电机，当电流达到

15、最大值Imax时，使绕组关断，电流开始衰减，当电流衰减咸至Imin时，绕组重新开通。在最大电感出现之前必须将绕组关断，以免电流延续到负转矩区。第82页/共192页高速时，由于反电势大，电流受到限制，上升较慢。当到达最大值后，因电感的增加，电流返而下降。同样，为避免电流延续到负转矩区，绕组要在电感到达最大值之前关断。速度越高，要关断的越早。第83页/共192页0bscconst.Tconst.T.const2TTorqueSpeedSeries dcAPCCCC第84页/共192页第85页/共192页第86页/共192页第87页/共192页第88页/共192页22eLddTJKTdtdt第89页

16、/共192页磁场分布第90页/共192页diiWci0),(-i),(iWTcediTmNTrNerav/20),(2第91页/共192页不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有关1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化第92页/共192页 = 1位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置statorrotor1第93页/共192页stator=0o位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合=0o第94页/共192页stator =2位置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置2第95页/共192页stator = 3位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置

17、rotor3第96页/共192页stator =4位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置4第97页/共192页stator =5位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置5第98页/共192页1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合1(5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置第99页/共192页SR电机绕组电感的分段线性解析式：-544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (

18、Lmax-Lmin)/sLmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感, Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。第100页/共192页-zonzoffsoffonsUU,0uk第101页/共192页忽略电阻，相绕组电压方程：而： =L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相电流解析分析同时可以导出：-54243322200000iKiKTTTKT为常数第102页/共192页sdidLULidtdsUdidLLiddminsUdiLdmin( )sonUiL -第103页/共192页min2()sUCLKi-min2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKi

19、KddddidiLKKiKdddid K iLKdd-第104页/共192页min2()( )()sonUiLK-第105页/共192页min2(2)( )()soffonUiLK-max(2)( )soffonUiL-max4(2)( )()soffonUiLK-第106页/共192页12min2min23min234max45max4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK-第107页/共192页on2 :电感上升，使绕组电流下降off3 : 在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。3z4 (z=2off-

20、on) 在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩典型电流波形第108页/共192页第109页/共192页第110页/共192页结构一定，在on和off不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。 ：外加电源电压Us、角速度r、开通角on、关断角off、最大电感Lmax、最小电感Lmin、定子极弧s等。 线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。第111页/共192页为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑

21、磁耦合一段为饱和段，视为与=0的位置的磁化曲线平行,斜率为Lmin；一段为非饱和段，为L(,i)的 不饱和段。实际磁化曲线分段线性磁化曲线i1第112页/共192页准线性模型绕阻电感L(i,):第113页/共192页 基于准线性模型，L(i, )是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：第114页/共192页)21)(2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-第115页/共192页1) on 是控制转矩的重要参数：一定时，若开通角on较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩。2) 在on一定时，增大of

22、f,平均转矩也相应增大。但导通角c= off- on有一个最佳值，超过此值， c 增大，平均转矩反而减小。讨论：第116页/共192页F为以电机结构参数(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和控制参数(on ,off)为变量的函数/sa vUFT 整理得：对一定电机，结构参数一定。如Us、 on 、off一定，则电机的固有机械特性为： Tav=k/ 2 P=k/ 第117页/共192页 恒转矩区恒转矩区 恒功率区恒功率区 串励特性区串励特性区 CCC 方式方式 APC 方式方式 1 2 c固定固定 o T 第118页/共192页第119页/共192页可控量为：Us、 on 、off控制法1：固

23、定on ,off，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩控制法2：固定on ,off，由速度设定值和实际值之差调制Us，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率第120页/共192页 O i Imin Imax 第121页/共192页 O i Imax 第122页/共192页 O i 第123页/共192页 O T off on增大增大 第124页/共192页0 0 Amin Cmaxn 2 1 电电流流斩斩波波可可控控区区 起起动动斩斩波波 定定角角度度斩斩波波 变变角角度度斩斩波波 APC控控制制 可可变变角角度度运运行行区区 第125页/共192页-onSLUimin)(Ho

24、nSCILU-2minmax第126页/共192页 A B C D D A B C D D Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 Tstmin 第127页/共192页 D A C AB BC CD DA Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 B D 第128页/共192页 on off 导导 通通 区区 正正 转转 on off 导导 通通 区区 反反 转转 O L O Te Te L,Te转转 L,Te转转 L 第129页/共192页 L i L, , i O Te - -Te r/2 on r off 第130页/共192页第131页/共192页第132页/共192页1、双开关

25、型每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只主开关VT1和VT2同时导通时，电源US 向电机相绕组供电 ；当VT1和VT2同时关断时，将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 第133页/共192页1）适用于任意相数SR电机2）相控独立性：独立3）相电压=电源电压4）器件数量多 第134页/共192页 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 第135页/共192页 双绕组型电路特点主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕

26、组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，实现强迫换相。早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。第136页/共192页 2、双绕组型 缺点：1）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。优点：适用于任何相数的SRM，尤其适宜于低压直流电源供电场合第137页/共192页两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二,构成中点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。 当

27、S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电，经下侧电容C2构成回路；当S1关断时，A相电流经D1续流，向下侧电容C2充电。 第138页/共192页1）只适用于偶数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）电源利用率低，每相电压为电源电压的1/2。5）需限制中点电位漂移第139页/共192页该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。第140页/共192页1）只适用于4的倍数相SR电机2）主开关数较少3）相控独立性：不独立4）相绕组

28、电压浮动可以实现零压续流，提高系统的控制性能。H桥型电路为4相SR电机最常用的主电路形式第141页/共192页第142页/共192页单管斩波方式，需增加一个公共开关V0, PWM斩波由V0完成，V1-V4只负责换相.V0导通 V0关断AB两相导通时工作情况第143页/共192页主电路续流第144页/共192页斩波：V1关断，续流换相：V2关断，V1导通换相：V1关断，V2导通第145页/共192页第146页/共192页 VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 J 电压检测电压检测 R1 R2 R3 380V V

29、T RL 第147页/共192页 11 10 2 1 3 MID 3 1 2 8 9 MDI 第148页/共192页 14 15 5 4 6 2 3 1 9 AMP 过流保护电路过流保护电路 第149页/共192页 15 6 2 3 1 9 4 5 14 10mEXB841 驱动信号驱动信号 4.7k 1/2W 过流保护输出过流保护输出 TLP521 或等效或等效 47 F 47 F ERA34-10 RG IGBT ICC 20V 0V 隔离电源隔离电源 绞线绞线 第150页/共192页2.5.1 静止部分运动部分第151页/共192页第152页/共192页第153页/共192页定子上安装两

30、个相距75o的光敏器件S、P,分别与定子极中心线成37.5o夹角。将其组合为4种不同状态，代表定子绕组4种不同参考位置第154页/共192页第155页/共192页第156页/共192页第157页/共192页第158页/共192页第159页/共192页S P导通相导通相1 0 AB0 0 BC 0 1 CD1 1 DA1 0 AB第160页/共192页S P导通相导通相0 0AD1 0DC1 1CB0 1 BA0 0AD第161页/共192页第162页/共192页第163页/共192页 Ui (fi) (fo) Ue U0 Ud (fo) 输出信号输出信号 压控振荡器压控振荡器 相位比较器相位比

31、较器 控制电压控制电压 低通滤波器低通滤波器 误差电压误差电压 输入信号输入信号 fi 相位比较器相位比较器 低通滤波器低通滤波器 压控振荡器压控振荡器 分频器分频器( N) fo =Nfi 第164页/共192页R5 R4 C4 + R7 R6 C3 S +5V Q VIN 16 3 4 14 6 7 13 9 11 12 5 8 CD4046 CD4040 8 11 10 12 16 第165页/共192页14 4 3 13 15 S 信号信号 6 7 300pF 4046 10k 47k 1M 0.22 F OUT1 CLK1 8253 CS A0 A1 D0 D7 WR RD 第166

32、页/共192页8 8 P0 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 ALE RD WR MCU A1 A0 D0 D7 8253 CLK0 GATE0 P1.0 CS RD WR 373 154 INT1 测测 S、 P跳跳变变 f0 第167页/共192页 CPU 80C196KC HSI.0 HSI.1 S P 第168页/共192页60nNfrp第169页/共192页 + - - R2 R1 +15V R3 R4 UCC C2 C1 + - Uout 充电泵充电泵 2 3 4 1 5 8 10 11 S LM2907 第170页/共192页cNTpmn160fmT2第171页/共192页

33、 定时器定时器 计数器计数器 总线总线 位置脉冲信号位置脉冲信号 记数器记数器 接口接口 总线总线 时钟脉冲时钟脉冲 位置脉冲信号位置脉冲信号 第172页/共192页1260Nm fnp m D 触发器触发器 D CP Q Tc HSO.0 HSI.0 HSI.1 SP Td Tc Td m1 m2 第173页/共192页SR电动机电阻采样电流检测电路 R R1 R2 Uo IL +UCC V 第174页/共192页 _ _ Uo Ui Uoffset is Re R1 R2 R3 Rf IL +15V -15V LEM 第175页/共192页 VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 LEM1 LEM2 第176页/共192页 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C LEM 第177页/共192页 SRM 功功 率率 变变 换换 器器 - - US + 位位 置置 传传 感感 器器 转转 速速 计计 算算 逻逻 辑辑 控控 制制 ASR